关中平原城市群扩张对生态用地的多尺度影响

党雪薇,周 亮,胡凤宁,袁 博,唐建军

1 兰州交通大学测绘与地理信息学院,兰州 730070

2 中国科学院地理科学与资源研究所/资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101

3 地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心,兰州 730070

城市扩张对生态用地的影响是城市化进程中“人-地”矛盾形成与激化的空间投影。城市用地的快速扩展对生态环境造成了现实和潜在的威胁,不仅从根本上改变了地区景观生态条件[1—2],也导致耕地流失、生境破坏、水资源紧缺、生物多样性丧失等土地生态问题的加剧[3—7],对地球生物圈造成不可逆转的影响[8]。城市形态高度一体化、人口高度集中、土地资源集约的城市群区域将会率先面临土地生态安全问题,受到更加显著的资源约束与生态环境胁迫[9]。因此,理解城市群扩张与生态保护之间交互胁迫、相互促进的复杂影响,协调城市群地区城镇化与生态环境之间的耦合关系,是构建与生态环境格局相匹配的城市群空间组织格局的重要基础[10],对实现国家生态文明建设和区域高质量发展意义重大。

城市扩张通常以牺牲自然和半自然土地为代价[11],在不同尺度上造成了自然栖息地和耕地的显著减少[12—13],对生态用地造成直接和间接的影响。直接影响是指建设用地扩张直接作用于生态用地产生的影响。已有的大量研究集中关注城市扩张对生态用地面积、生态服务与功能[14—15]、生态质量[16]、生态足迹[17]、碳循环[18]、生态景观连通性和破碎化[19]以及生态安全格局[20—21]等方面产生的影响。间接影响指在耕地保护的背景下,由于城镇发展占用耕地,为保障粮食安全,新开垦的耕地挤占自然生态用地造成的影响[4]。目前仅有的估算城镇扩张对自然生态用地间接影响的研究大致分为两类。一类是基于土地利用转移矩阵计算耕地占用林地、草地等自然生态用地的面积[22—23]。该方法简单直观,但是没有考虑城市扩张占用的耕地与补偿的耕地之间的生产力差异。另一类方法是基于建设用地占用导致的耕地生产力损失估算受影响的自然生态用地面积[4,24]。尽管已有研究表明,全球范围内城市扩张对生态用地的的间接影响高于直接影响[25—26]。但有关城市扩张对生态用地的间接影响分析仍然不足。此外,鲜有研究从多尺度分析城市扩张对生态用地的直接和间接影响,且研究尺度大多局限在城市群、省、市等行政单元中,对城市化过程中最敏感,变化最大、最迅速,景观结构最不稳定的城市边缘区考虑较少。

在国家新型城镇化、黄河流域生态保护和高质量发展的背景下,关中平原城市群作为黄河流域中游最大的城市群,将面临更大的绿色、协调、可持续发展挑战[27],其城市发展与生态保护的矛盾更加突出。尤其是在城市群内部以低密度、分散式为主要发展模式的城市边缘区,生态用地所受的胁迫影响更为严峻[28]。而目前与关中平原城市群相关的研究仍较为单一地从生态安全[29]、生态服务价值[30]等角度分析和测度生态环境的变化,少有研究分析城市群发展对生态用地的多尺度影响。因此,在耕地保护、生态保育和城镇发展三类政策的牵引下,从城市群、地级市以及城市边缘区3个尺度揭示关中平原城市群的土地利用变化规律,量化城镇扩张对各类生态用地的直接和间接影响,掌握城市群发展对生态影响的过程、特征和规律,对强化区域生态保护与修复,优化生态安全格局,促进黄河流域高质量发展和区域包容、绿色、弹性有序发展具有重要的理论价值和实践意义。

1 研究区与数据

1.1 研究区

关中平原城市群是引领西部地区发展的重要增长极和面向中东部地区的重要门户。区域范围涉及陕西、甘肃和山西三省11个地级市(图1),面积达1.07×105km2,2018年末常住人口为3948.53万。城市群南接秦岭,北抵黄土高原,是黄河流域中游核心区,也是“人-地”矛盾突出的典型西部城市群。人类活动对生态用地的扰动相对剧烈,城市群内部发展不协调问题仍然突出。特殊的地理位置与复杂的地形地貌加剧了地区生态环境的脆弱性,土地的不合理利用使城市发展建设与生态保护之间的矛盾愈加突出。《关中平原城市群发展规划》已将确保城市群生态安全作为实现人与自然和谐共生的新型城市群建设的重要目标之一。因此,该地区的生态研究对黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义。

图1 研究区

1.2 数据源

研究采用的数据主要包括DEM、植被净初级生产力等自然环境和生态数据以及土地利用、夜间灯光、统计数据等社会经济数据,具体数据来源如表1所示。由于DMSP/OLS数据(1992—2013年)与NPP/VIIRS数据(2012—2018年)之间存在严重的不一致性,难以应用于长时间序列的研究。因此,本文采用Li等[31]基于上述两种灯光数据,通过校准后发布的1992—2018年具有一致性的全球夜间灯光数据,划分城市边缘区。土地利用数据时间跨度为1990—2018年,一级分类包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地六类。此外,本文参考殷嘉迪等对生态空间的界定[32],将林地、草地、水域与未利用土地划分为生态用地(自然生态用地),耕地为半生态用地。

表1 数据源

2 研究方法

2.1 景观指数

景观指数是量化景观格局最常用的方法之一。本文在类型水平上选择斑块密度、边缘密度、平均斑块面积和面积加权形状指数4个表示破碎化的指数,以及斑块结合度、散布并列指数和聚合度指数3个表示连通性的指数。各类指数的具体含义如表2所示。

表2 景观指数及含义

2.2 耕地补偿面积测算

耕地补偿是按照补偿城镇扩张引起的作物产量损失所需的耕地面积进行估算,依据补偿区域的范围分为两类：一是本地补偿,即某城市耕地补偿的来源仅限于该地区,补偿依据是该区域内2000—2018年出现的所有新增耕地的平均生产力。二是异地补偿,即某城市耕地补偿的来源可来自城市群的其他城市,依据是2000—2018年城市群所有新增耕地的平均生产力。由于难以将粮食产量直接映射到地理空间上进行分析,本文采用植被净初级生产力(NPP)代替粮食产量进行计算。为验证NPP与粮食产量的相关性,本文对2018年研究区所有县(区)的粮食产量以及NPP总值进行Pearson相关性分析。结果表明,在α=0.01显著性水平下,NPP总量与粮食产量存在显著的正相关性,相关性系数达0.648。因此,利用NPP总量代表研究区的耕地产量具有可靠性。

城镇扩张对自然生态用地间接影响的测算包括以下三步：首先,计算城镇扩张占用耕地造成的总损失量,其计算公式如下[24]：

(1)

2.3 城市边缘区划分

城市边缘区是城市空间扩展和蔓延的前沿阵地,其土地利用变化更加复杂,生态环境问题更为突出[33]。基于城市边缘区的空间突变性特征,考虑到城市边缘区的人口、经济、基础设施等介于城市核心区和乡村之间,因此本文采用夜间灯光数据作为划分边缘区的基础数据,以西安市中心为原点,以0.5°的方向间隔划出720条断面线并将其与灯光亮度等值线相交,提取原点到边缘经过的每条等值线的值,采用Mann-Kendall(M-K)算法进行突变检测。然后,依据突变点确定相应的等值线,并根据等值线与城市中心的距离,筛选内边界和外边界。由于缺少1990年的夜间灯光数据,因此研究采用1992年作为替代。鉴于城市边缘区的时间性原则和瞬时性特点,不同时段的城市边缘区的范围不同,无法进行多时相土地利用变化的对比,因此本文选择1992年城市边缘区的内边界,2018年城市边缘区的外边界所包含的区域作为分析边缘区尺度的范围,并统计其面积进行排序,筛选出关中平原城市群的4个主要城市边缘区：西-咸-渭边缘区、临汾市边缘区、宝鸡市边缘区与运城市边缘区(图2)。

图2 2018年土地利用与城市边缘区

3 城市扩张对生态用地的直接影响

3.1 城市群尺度

图3 1990—2018年关中平原城市群建设用地、半生态用地与自然生态用地面积比例

关中平原城市群土地利用类型以耕地为主,面积占比超过40%。建设用地被耕地所包围,面积占比不足6%。草地和林地分布在北部和南部地势相对较高的区域,面积占比在20%—30%之间。1990—2018年,建设用地面积比例呈明显的增长趋势(图3),由3.67%增长至5.93%,且2010年后增长速度加快。半生态用地(耕地)主要呈现为减少的趋势,由1990年的49817.74 km2减少至2018年的46785.63 km2,共计减少3032.11 km2。2010年之前,半生态用地和自然生态用地的变化完全相反,自然生态用地的面积比例呈现为“增长-减小-增长”的趋势,而半自然生态用地呈现为“减小-增长-减小”的趋势。不同时期关中平原城市群土地利用转移方向基本相似,最主要的转移方向为半生态用地转建设用地以及半生态用地与自然生态用地之间的相互转移。1990—2018年,89.82%的新增建设用地来自耕地,而草地、林地和水域分别贡献了5.59%、2.96%和1.45%的土地。耕地主要转变为草地(9.98%)和建设用地(6.11%),而草地主要转变为耕地(15.35%)和林地(g7.2%),仅有0.66%的草地转移为建设用地。关中平原城市群建设用地扩张对半生态用地的影响远大于对自然生态用地的影响。且自然生态用地与半生态用地的转移变化主要受耕地占补政策和生态环境保护政策的双重影响。由于2003年之前更注重耕地的数量补偿,因此耕地面积在1995—2000年间上升。尽管2004—2012年耕地政策进一步发展,提出基本农田总量不减少,注重数量和质量相结合,但退耕还林还草等生态保护政策也提出将水土流失严重、粮食产量低而不稳的耕地停止耕种,恢复植被。因此耕地与自然生态用地之间的转移变化较为明显。

1990—2018年不同土地利用类型的景观指数变化(图4)表明,建设用地斑块平均规模逐渐增大的同时,形状变得越来越不规则,但破碎程度并未增大,且聚集程度明显增强。耕地的平均斑块面积(MPS)由1990年的334.5 m2减少至332.4 m2,面积加权形状指数(AWMSI)由115.75减少至105.19,散布并列指数(IJI)逐渐增大,聚合度指数(AI)逐渐减小。表明单位面积的耕地斑块数量减少,形状复杂度减小,聚集程度和整体连通性下降。林地的聚合度最高,表明林地斑块的聚集程度最强,除面积加权形状指数(AWMSI)在2005—2010年间有所上升以外,其他景观指数变化极小。因此城市群林地斑块的连通性和破碎性没有发生明显变化。草地的景观指数变化与林地类似,但草地的散布并列指数与聚合度明显增长,表明草地斑块的聚集程度增强,连通性提升。

图4 1990—2018年关中平原城市群景观指数

3.2 城市尺度

尽管城市群内部自然资源与社会经济发展状况存在差异,但所有城市的建设用地面积占比均呈现不同程度的增长,且自然生态用地面积占比的变化差异明显,半生态用地面积占比变化几乎与自然生态用地面积变化相反(图5)。不同城市土地利用转移方向大同小异,新增建设用地的主要来源均为耕地,耕地流失的方向主要分为两类,一类是转移为建设用地,另一类是转移为林地和草地。具体来看,西安建设用地面积占比由1990年的7.37%上升至2018年的13.53%,增长幅度幅最大,其次是庆阳市(4.67%)。值得注意的是,2015—2018年运城市和临汾市建设用地面积占比年均增长量分别是2010—2015年的12.9倍和14.56倍,表明2015年后运城和临汾市城市建设用地的扩展开始增速。1990—2018年,关中平原城市群大部分城市耕地面积减少。西安、运城、咸阳、渭南等城市耕地流失的主要方向是转为建设用地,其中西安市耕地转建设用地的面积比例最大,占1990年耕地面积的16.26%。而临汾市耕地面积占比少量增长,尽管6.53%的耕地转变为建设用地,但大量的草地和少部分林地对耕地面积进行了补偿。铜川、宝鸡、商洛、天水、平凉、庆阳等市耕地转移的主要方向为草地。耕地转移为建设用地的同时,林地和草地也对耕地面积进行了补偿,所有城市草地对新增耕地的贡献均高于林地。1990—2018年临汾、运城和西安市自然生态用地面积占比减少,商洛、渭南和宝鸡市自然生态用地面积占比几乎不变,而其他城市均呈现为增长,且除西安市以外,其他所有城市中草地对建设用地的贡献均高于林地。

图5 1990—2018年关中平原城市群各城市土地利用变化

耕地的景观格局指数变化分析可知,1990—2018年临汾、宝鸡、运城与天水等城市耕地斑块密度(PD)下降,平均斑块面积显著增加,边缘密度(ED)减少,且聚合度指数明显上升。西安、咸阳、平凉等城市的耕地平均斑块面积、斑块结合度和聚合度表现为显著减小的趋势,即耕地破碎度上升,连通性下降。1990—2018年林地的景观指数变化表明,平凉市的林地斑块破碎度上升,连通性下降。临汾、咸阳、运城和西安市林地斑块的聚集程度上升,连通性增强。而草地的景观指数变化与林地差异较大,平凉市草地斑块面积增长最大,聚集度上升,连通性逐渐增强。临汾市草地景观指数的变化与林地几乎完全相反,与铜川市的草地景观变化相似,都呈现出斑块逐渐破碎,连通性逐渐降低的特点。总而言之,不同地区建设用地对生态用地的影响具有差异,不同类型的生态用地的破碎度和连通性变化差异较大,在建设用地不断扩张发展的前提下,难以做到保障所有生态用地景观的连通性,因此各地应明确当地的重要生态用地类型,并加强对该类用地的保护与修复。

3.3 核心城市边缘区尺度

城市群核心城市边缘区的主要土地利用类型为耕地和建设用地。2018年,西-咸-渭边缘区、宝鸡市边缘区、临汾市边缘区耕地面积占比均高于建设用地。而运城市边缘区建设用地面积占比最高,达60.93%,其次是耕地(34.73%)。1990—2018年边缘区土地利用结构变化(图6)表明,运城市边缘区和西-咸-渭边缘区土地利用变化更为显著,耕地面积占比显著减少,建设用地面积比例明显增加,而自然生态用地面积占比呈现出不同程度的减少。宝鸡市边缘区的土地利用变化与运城市边缘区相似,但变化程度明显较低。与其他边缘区相比,临汾市边缘区土地利用变化最小,仅在2015—2018年间出现明显变化,建设用地面积占比增加6.6%,而耕地面积减少了4.9%,草地面积占比减少1.39%。

图6 1990—2018年城市边缘区土地利用结构变化

1990—2018年4个核心城市边缘区土地利用转移(图7)表明,新增建设用地的最大来源均为半自然生态用地,即耕地。其中运城市边缘区耕地对建设用地的贡献率最高,达63.81%。其次是西-咸-渭边缘区(59.27%),临汾市和宝鸡市耕地对建设用地的贡献率相近,在47%—50%之间。宝鸡市边缘区损失的耕地面积主要转为建设用地,而损失的自然生态用地主要转变为耕地,少量转变为建设用地和其他土地利用类型。临汾市边缘区土地利用转移变化最大的土地利用类型是未利用土地,89.84%转为建设用地,9.38%转为耕地。草地和林地的转移变化也比较剧烈,损失的林地主要转变为耕地(28.71%)、建设用地(17.46%)和草地(5.98%)。损失的草地主要转变为耕地和建设用地。综上所述,由于城市边缘区往往以耕地和建设用地为主要土地利用类型,因此新增建设用地的主要来源均为耕地,除运城市边缘区以外,其他边缘区耕地的损失均主要由草地进行补偿,林地对耕地的贡献较少。另外,城市边缘区耕地撂荒的现象也较为突出,其原因可能为城市发展吸引了城市周边农村地区的农民迁入,导致边缘区耕地缺乏劳动力耕种。

城市边缘区耕地的散布并列指数、斑块结合度和聚合度都呈现为减少的趋势,表明城市边缘区耕地的破碎度增加,连通性下降,而且比对应的城市的耕地变化更加剧烈。值得注意的是,临汾市边缘区耕地的平均斑块面积增加。不同城市边缘区林地和草地景观指数的变化有所差异。临汾市边缘区的林地和草地都呈现出连通性降低的趋势,但边缘区林地连通性下降的程度低于临汾市林地整体的变化。宝鸡市边缘区的草地连通性上升,林地的连通性下降。西-咸-渭边缘区和运城边缘区林地和草地的连通性都表现出明显的下降趋势,且下降程度比对应城市强。综上所述,城市边缘区景观格局变化的统一特征是耕地逐渐破碎,连通性下降,且变化幅度高于对应的城市。建设用地斑块聚集程度增强,导致整个景观的连通性增强。因此,边缘区城镇扩张对生态用地的影响主要是造成了半生态用地在空间上的破碎化。

4 城市扩张对生态用地的间接影响

4.1 城市群尺度

耕地占补政策发布实施后,为保障耕地面积和耕地质量,在保证生态安全的前提下,部分自然生态用地被逐步开垦成为耕地,本文对需要通过自然生态用地补偿耕地损失的面积进行估算,分析城市扩张对自然生态用地的间接影响。2000—2018年关中平原城市群需要补偿的耕地面积逐渐增加,且耕地补偿的主要来源为草地,其次为林地。具体而言,2000—2005年需要补偿的耕地面积为266.97 km2,其中88.61%来源于草地,面积达236.56 km2,其次来源于林地。2005—2010年需要补偿的耕地面积为511.11 km2,其中416.8 km2来源于草地,72.29 km2来源于林地,林地的贡献率上升。发展至2010—2015年,需要补偿的耕地面积进一步增加至737.13 km2,尽管利用草地补偿耕地的面积仍在增加,但草地的贡献率减少,由上一时期的81.41%减少至67.85%,然而在2015—2018年,该贡献率又上升至76.87%。由此可知,需要补偿耕地的面积的不断增长,一方面表明城市扩张对耕地的压迫不断增强,另一方面也反映了耕地保护对自然生态用地的压力逐渐增大。因此,如何权衡城市扩张、耕地保护与生态安全将是关中平原城市群发展面临的重大挑战。

4.2 城市尺度

由于耕地占补需要在完整的行政单元内进行,因此本文剔除了运城、临汾、商洛、平凉和庆阳市。城市本地补偿假设下,除天水市以外,其他城市需要补偿耕地的面积都随时间推移呈增长的趋势(图8)。其中,渭南市、西安市和咸阳市需要补偿耕地的面积较高,即建设用地扩张对自然生态的间接影响较大,其原因在于,这3个城市位于关中平原中心,地势平坦,耕地面积占比较高。且西-咸-渭边缘区的土地利用转移情况也表明,这一地区耕地受建设用地挤压的现象较为严重,因此需要更多的自然生态用地对损失的耕地面积进行补偿。从时间变化来看,除2000—2005年水域补偿耕地面积的比例较高以外,其他时期补偿耕地的来源主要是草地。天水市补偿耕地的面积变化较为特殊,2010—2015年间突然减少,其主要原因为该时期耕地转移变化的比例极少,仅0.01%的耕地转移为建设用地。城市群中需要补偿耕地的面积最低的城市是铜川市,表明该城市建设用地对自然生态用地的间接影响较低,其原因在于铜川市耕地损失的主要流向为草地和林地,少数耕地转移为建设用地。

图8 不同耕地补偿假设下需要补偿耕地的面积

异地补偿假设下各城市补偿耕地面积的变化与本地补偿假设相似。在城市群异地补偿假设下,咸阳、渭南、天水和铜川市补偿耕地的面积低于本地补偿假设,表明异地补偿机制下,这些城市建设用地扩张对自然生态用地的影响较小。而异地补偿假设下,宝鸡市的耕地补偿面积始终高于本地补偿。2000—2005年西安市异地补偿机制下需要补偿给耕地的面积低于本地补偿假设,表明该情景下城市扩张对自然生态用地的间接影响较小。但发展至后期,异地补偿假设下的补偿面积高于本地补偿假设,表明城镇扩张对自然生态用地的影响随着不同的时期的城市发展产生差异。不同的耕地补偿机制下,不同地区建设用地扩张对自然生态用地的间接影响差异明显。因此,耕地补偿政策应当结合区域实际土地资源和土壤条件,因地制宜进行调整,结合城市群的主体功能区规划,在控制建设用地总量的前提下,在农产品主产区实行本地耕地补偿,在重点生态功能区实施异地耕地补偿政策,实现区域的粮食和生态可持续发展。

5 结论与讨论

关中平原城市群对西北地区发展起核心引领作用,但也面临生态环境脆弱、资源约束加剧、城市发展不均衡的突出问题。本文围绕“城市群扩张的多尺度生态影响”问题,以1990—2018年土地利用数据为基础,综合生态、地形、社会经济等综合数据,对城市群、城市和城市边缘区的土地利用变化规律进行总结,挖掘不同尺度城镇扩张对不同生态用地类型的直接和间接影响。取得的主要结论如下：

(1)研究区土地利用结构和变化具有明显的尺度差异,但建设用地扩张的主要来源均为半生态用地(耕地),半生态用地和自然生态用地的变化呈现出此消彼长的特征。1995—2000年,受耕地占补平衡政策的影响,城市群整体耕地面积出现短暂上升,部分城市耕地变化与城市群相似。然而,2000年后,受退耕还林、生态保护红线、生态文明等政策和概念的影响,林地、草地等自然生态用地与耕地呈现为“拉锯式”发展。但整体来看,建设用地扩张对半生态用地的影响更为显著,且城市边缘区的半生态用地受城镇扩张的挤占最为突出。

(2)城市群与各城市的土地利用转移变化大同小异,城镇扩张对自然生态用地的间接影响大于直接影响。新增建设用地的主要来源均为耕地,城市边缘区是耕地流失最严重的地区。在建设用地面积增加、斑块聚集程度增强的背景下,自然生态用地斑块的聚集程度也增强,但耕地斑块的聚集程度和连通性下降。与对应的城市相比,城市边缘区耕地破碎度更高,连通性更差,受城镇扩张影响更显著。

(3)城镇扩张对自然生态用地的间接影响随时间推移逐渐增大,耕地补偿的主要来源为草地,其次为林地。不同耕地补偿机制下,建设用地扩张对自然生态用地的间接影响具有地区差异性,应当结合实际土地资源和土壤条件,因地制宜进行政策调整,在控制建设用地总量的前提下,实现区域的粮食和生态可持续发展。

本文解析了关中平原城市群城镇扩张对生态用地的多尺度影响特征,但城镇扩张对生态用地的直接影响仅停留在面积和景观格局变化,对生态服务价值、生境质量等的影响尚不清楚。此外,城镇扩张对自然生态用地的间接影响是通过区域植被净初级生产力进行测算。由于NPP数据的空间分辨率为1 km,土地利用数据空间分辨率为100 m,分辨率差异将对研究结果产生一定的影响。在后续研究中,将结合NDVI等相关植被指数采用更加精准的降尺度方法提升数据精度,或直接制备更加精细的植被净初级生产力数据,结合深度学习模型直接估算区域粮食产量,进而提高间接影响的测算精度。